Τα πρώτα βήματα
Οι πρώτες προσπάθειες για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων έγινε από τον Joseph Weber με την σχεδίαση ραβδόμορφων ανιχνευτών αλουμινίου με διαστάσεις μερικών μέτρων και μάζας μερικών τόνων. Προσπάθησε να φέρει σε συντονισμό την ιδιοσυχνότητα ταλάντωσης αυτής της ράβδου με την εκτιμώμενη συχνότητα των βαρυτικών κυμάτων και να ανιχνεύσει την ταλάντωση κατά μήκος του άξονα της ράβδου στην οποία θα εξαναγκαζόταν η ράβδος από τα βαρυτικά κύματα Η μέθοδος αυτή σήμερα έχει εγκαταλειφθεί γιατί δεν μπόρεσε ποτέ να φτάσει την απαιτούμενη ευαισθησία.
Βαρυτικά κύματα που παράγονται μετά από συγκρούσεις μαύρων οπών
Αρχικά το 1962, δύο Ρώσοι, ο Michail Gertsenstein και ο V. Pustovoit και στη συνέχεια το 1964 ένας Αμερικανός, ο Joseph Weber, συνέλαβαν την ιδέα να χρησιμοποιηθούν συμβολόμετρα για την ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων. Αργότερα το 1969 ο Reiner Weiss επινόησε μια πιο επεξεργασμένη μορφή συμβολομετρικού ανιχνευτή και στις αρχές της δεκαετίας του 1970 προχώρησε στην κατασκευή του στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης όπου εργαζόταν. Την ίδια εποχή σε σχεδιασμό και κατασκευή συμβολομετρικού ανιχνευτή προχώρησε και ο Robert Forward με την ομάδα του στο ερευνητικό εργαστήριο Hughes της Καλιφόρνιας.
Η επιστήμη πίσω από την ανίχνευση
Η παρακάτω εικόνα παρουσιάζει τη βασική ιδέα στην οποία στηρίζεται η λειτουργία ενός συμβολομετρικού ανιχνευτή βαρυτικών κυμάτων.
Εικόνα 1α. και 1β.
Τρεις μάζες, κρεμασμένες από την οροφή του εργαστηρίου με τη βοήθεια συρμάτων σχηματίζουν ένα "L". Μόλις το πρώτο όρος ενός βαρυτικού κύματος εισέλθει στο εργαστήριο από την οροφή του ή το δάπεδό του, η παλιρροϊκή δράση του θα αναγκάσει τις μάζες του ενός βραχίονα του "L" να απομακρυνθούν ενώ τις μάζες του άλλου βραχίονα να πλησιάσουν. Ως αποτέλεσμα θα αυξηθεί το μήκος Χ1 του ενός βραχίονα και θα μειωθεί το μήκος Χ2 του άλλου. Όταν το πρώτο όρος του κύματος θα έχει περάσει και θα το έχει διαδεχθεί η πρώτη κοιλάδα, οι διευθύνσεις της επιμήκυνσης και της συμπίεσης θα έχουν αλλάξει. Το Χ1 θα έχει μειωθεί και το Χ2 θα έχει αυξηθεί. Καταγράφοντας τη διαφορά μήκους των βραχιόνων Χ1-Χ2 , μπορεί κανείς να αναζητήσει τα βαρυτικά κύματα.
Η διαφορά Χ1-Χ2 καταγράφεται με τη βοήθεια της συμβολομετρίας (παρακάτω εικόνες). Μια δέσμη λέιζερ προσπίπτει σε ένα πλακίδιο το οποίο έχει προσαρμοστεί στη γωνιακή μάζα. Το πλακίδιο ανακλά τη μισή δέσμη, και επιτρέπει τη διέλευση της άλλης μισής, διαχωρίζοντάς την κατ’ αυτόν τον τρόπο στα δύο. 
Εικόνα 2
Οι δύο δέσμες προχωρούν κατά μήκος των δύο βραχιόνων του συμβολομέτρου και ανακλώνται στα κάτοπτρα που έχουν προσαρμοστεί στις ακραίες μάζες, και στη συνέχεια επιστρέφουν στο πλακίδιο. Αυτό με τη σειρά του επιτρέπει τη διέλευση του μισού μέρους της κάθε δέσμης και ανακλά το υπόλοιπο μισό. Έτσι, το μισό μέρος του φωτός της μιας δέσμης υπερτίθεται με το αντίστοιχο μισό της άλλης και επιστρέφει στο λέιζερ, ενώ τα υπόλοιπα μέρη των δύο δεσμών συνενώνονται και κατευθύνονται σ’ ένα φωτοανιχνευτή.
Όταν οι μάζες και τα κάτοπτρά τους δεν έχουν μετακινηθεί από κάποιο βαρυτικό κύμα ή άλλη αιτία, τότε οι αποστάσεις των μαζών έχουν ρυθμιστεί κατά τέτοιο τρόπο ώστε το αποτέλεσμα της υπέρθεσης των φωτεινών κυμάτων έχει τις παρακάτω δύο μορφές – εικόνα 2, όπου η διακεκομμένη καμπύλη παριστάνει το κύμα που εξέρχεται από τον βραχίονα 1, η εστιγμένη το κύμα που εξέρχεται από το βραχίονα 2, και η συνεχής καμπύλη το συνολικό κύμα που προκύπτει από την υπέρθεση.
Η συμβολή των κυμάτων που κατευθύνονται στο φωτοανιχνευτή είναι πλήρως αναιρετική, πράγμα που σημαίνει ότι ο ανιχνευτής δεν βλέπει καθόλου φως.
Όταν ένα βαρυτικό κύμα ή κάποια άλλη δύναμη προκαλέσει την επιμήκυνση του ενός βραχίονα και την βράχυνση του άλλου, τότε η δέσμη από τον ένα βραχίονα φτάνει στο πλακίδιο με μικρή καθυστέρηση ως προς την άλλη, με συνέπεια το αποτέλεσμα της υπέρθεσης των κυμάτων να έχει τις παρακάτω μορφές της εικόνας 3.
Εικόνα 3
Η συμβολή των κυμάτων που κατευθύνονται στο φωτοανιχνευτή δεν είναι πλήρως αναιρετική, δηλαδή ο ανιχνευτής δέχεται ορισμένη ποσότητα φωτός. η ποσότητα αυτή είναι ανάλογη με τη διαφορά μήκους Χ1-Χ2 των βραχιόνων, η οποία πάλι είναι ανάλογη με την ένταση του βαρυτικού κύματος.
Η πρώτη τέτοια διάταξη που κατασκευάστηκε στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Καλιφόρνιας είχε βραχίονες μήκους 40 μέτρων, ενώ οι αντίστοιχοι σημερινοί ανιχνευτές των προγραμμάτων LIGO στις ΗΠΑ και VIRGO στην Ευρώπη έχουν μήκη αρκετών χιλιομέτρων, πολλαπλασιάζοντας ακόμη περισσότερο τις τεχνικές δυσκολίες.
Το παρατηρητήριο LIGO
Το παρατηρητήριο LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), είναι ένα πείραμα φυσικής γιγάντιας κλίμακας που έχει σκοπό να βοηθήσει στην άμεση ανίχνευση των βαρυτικών κυμάτων.
Ιδρύθηκε το 1992 από τους Kip Thorne και Ronald Drever του Τεχνολογικού Ιδρύματος της Καλιφόρνιας μαζί με τον Rainer Weiss του MIT, Στο πείραμα LIGO συνεργάζονται πάνω από 800 άτομα που ανήκουν σε περίπου 50 ιδρύματα, τα οποία δουλεύουν για την ανάλυση των δεδομένων από το LIGO.
Το LIGO αποτελείται από δύο ανιχνευτές, εκ των οποίων ο ένας είναι εγκατεστημένος σε μια πεδιάδα στο Χάνφορντ της Πολιτείας Ουάσινγκτον και ο άλλος σε ένα δάσος κοντά στο Λίβινγκστον της Πολιτείας Λουιζιάνα των ΗΠΑ. Κάθε ανιχνευτής έχει δύο βραχίονες, μήκους 4 χιλιομέτρων περίπου, οι οποίοι είναι ενωμένοι σε διάταξη Γ. Τόσο στη γωνία όσο και στα άκρα του κάθε Γ έχουν τοποθετηθεί τεράστια κάτοπτρα, ενώ μία υψηλής έντασης ακτίνα λέιζερ αντανακλάται και παλινδρομεί ανάμεσα στα δύο σκέλη.
Οι ακτίνες λέιζερ είναι ακριβώς ρυθμισμένες, ώστε κάθε φορά που δύο ακτίνες συναντιούνται στη γωνία του Γ, το φως να συνδυάζεται και οι δύο ακτίνες αλληλοεξουδετερώνονται. Αυτό σημαίνει ότι η κορυφή του κύματος που διασχίζει το ένα σκέλος συμπίπτει με την κοιλάδα του κύματος που διασχίζει το άλλο σκέλος, με αποτέλεσμα τα δύο σήματα να αλληλοακυρώνονται. Οι φυσικοί ονομάζουν αυτό το φαινόμενο συμβολή τον φωτός.
Εάν τώρα προσπέσει στο βραχίονα κάποιο βαρυτικό κύμα, τότε θα συμπιέσει το ένα σκέλος και θα επιμηκύνει το άλλο. Οι κορυφές και οι κοιλάδες του κύματος φωτός παύουν να συμπίπτουν, κι έτσι τα δύο σήματα σταματούν να αλληλοακυρώνονται. To αποτέλεσμα είναι ένα ανιχνεύσιμο σήμα από τη συμβολή του φωτός, λόγω της βαρυτικής παρεμβολής. Εάν το μήκος κύματος του φωτός είναι πολύ μικρό, οι κορυφές του θα απέχουν ελάχιστα το ένα από το άλλο, οπότε θα μπορεί να ανιχνευθεί ακόμη και μία αμελητέα μετατόπιση ανάμεσα στις κορυφές και τις κοιλάδες.
H διάταξη Γ του πειράματος LIGO έχει σχεδιαστεί με τρόπο που να επιτρέπει την ανίχνευση μεταβολών μεγέθους 10-16 εκατοστών ή περίπου εκατό εκατομμυριοστά της διαμέτρου ενός ατόμου υδρογόνου.
Μικροσκοπικές διακυμάνσεις αυτού του μεγέθους μπορούν να τις προκαλέσουν όμως και πολλά καθημερινά φαινόμενα, όπως ένας μικρός σεισμός, ή τα κύματα που χτυπούν την ακτή ή η πτώση των δέντρων που κόβουν οι υλοτόμοι στο παρακείμενο δάσος. Κατασκευάζοντας δύο πανομοιότυπα εργαστήρια σε μεγάλη απόσταση το ένα από το άλλο με σκοπό την ταυτόχρονη ανίχνευση σημάτων και στα δύο, οι επιστήμονες μπορούν ουσιαστικά να αποκλείσουν αυτές τις τοπικές επιρροές.
Το μόνο που απομένει είναι να ανιχνευθεί το σήμα από κάποιο βαρυτικό κύμα με μήκος κύματος χιλιάδων μέτρων, που να συμπίπτει με το μήκος των σκελών του Γ.
Οι επιστήμονες τώρα βρίσκονται στη φάση βελτίωσης αυτής της διάταξης, μια εργασία που αναμένεται να τελειώσει σε 2 χρόνια περίπου.
Το παρατηρητήριο LISA
Το επόμενο παρατηρητήριο βαρυτικών κυμάτων μετά το LIGO θα εγκατασταθεί στο διάστημα και λέγεται Laser Interferometer Space Antenna (Διαστημική Κεραία με Συμβολόμετρο Λέιζερ) ή LISA, που θα αποτελείται από τρία διαστημικά οχήματα, τα οποία θα πραγματοποιούν ελεύθερη πτήση σε διάταξη ισοσκελούς τριγώνου. Το ένα από αυτά θα είναι το βασικό που θα εκπέμπει ακτίνες λέιζερ, ενώ τα άλλα δύο θα είναι τα δευτερεύοντα στα οποία αφού φτάσουν οι ακτίνες λέιζερ από το βασικό, θα φύγουν πίσω στο βασικό όχημα ενισχυμένες.
Το μήκος κάθε πλευράς του τριγώνου θα είναι 5 εκατομμύρια χιλιόμετρα. Κάθε διαστημόπλοιο α διαθέτει αισθητήρες και προωθητές που θα επιτρέπουν τον ακριβή εντοπισμό και διατήρηση της σχετικής θέσης του σε σχέση με τα άλλα δύο οχήματα. Επί πλέον κάθε διαστημόπλοιο θα μεταφέρει δύο τηλεσκόπια με διάμετρο 40 cm, για να συλλαμβάνουν το φως που θα έρχεται από το πιο μακρινό. Τα βαρυτικά κύματα που θα μπορεί να ανιχνεύει είναι συχνότητας από 0.03 mHz έως 0.1 Hz, με περίοδο από 10 δευτερόλεπτα έως 10 ώρες.
Τα 3 διαστημικά οχήματα του πειράματος LISA θα τοποθετηθούν σε τροχιές τέτοιες που θα σχηματίζουν ένα τριγωνικό σχηματισμό που θα ακολουθεί τη Γη, με κέντρο 20° πίσω της, με μήκος του νοητού βραχίονα 5 εκατομμύρια χιλιόμετρα
Αριστερά: τα διαστημόπλοια όπως φαίνονται από πλάγια
Στην καρδιά κάθε διαστημόπλοιου θα υπάρχει ένας φωτεινός μεταλλικός κύβος, με πλευρές μήκους τεσσάρων εκατοστών, ο οποίος θα μετεωρίζεται ελεύθερα. Οι επιφάνειες του κύβου θα λειτουργούν σαν καθρέφτες και θα αντανακλούν τις ακτίνες λέιζερ που εκτοξεύονται από το βασικό όχημα και αντανακλώνται από τους κύβους που βρίσκονται στο εσωτερικό των άλλων δύο οχημάτων.
Φτάνοντας σε ένα από τα δύο δευτερεύοντα οχήματα, η ακτίνα θα είναι υπερβολικά ασθενής για να μπορεί να κάνει το ταξίδι της επιστροφής στο βασικό όχημα με ανιχνεύσιμη ένταση, γι’ αυτό και θα ενισχύεται από μία νέα φωτεινή ακτίνα λέιζερ.
Οι κορυφές και οι κοιλάδες του μήκους κύματος της νέα ακτίνας θα έχουν ρυθμιστεί με ακρίβεια, ώστε να συμπίπτουν με τα αντίστοιχα σημεία της αρχικής ακτίνας. Μόλις οι νέες ακτίνες ολοκληρώσουν το ταξίδι της επιστροφής στο βασικό όχημα θα συγκρίνονται μεταξύ τους, όπως γίνεται και στο πείραμα LIGO, για να διαπιστωθεί εάν σημειώθηκε κάποια μετατόπιση των οχημάτων.
Τα οχήματα απομακρύνονται ή συγκλίνουν μεταξύ τους φυσιολογικά, λόγω της βαρυτικής έλξης που ασκούν όχι μόνο η Γη, ο Ήλιος, η Σελήνη και οι πλανήτες αλλά και τα διαπλανητικά μαγνητικά πεδία. Ωστόσο τα βαρυτικά κύματα που αναζητά το LISA θα προκαλέσουν μία δόνηση του γιγαντιαίου τριγώνου με συχνότητα αρκετά υψηλή, ώστε να μπορεί να διακριθεί από αυτές τις πιο συνηθισμένες αιτίες μετατόπισης.
H αποστολή του LISA έχει σχεδιαστεί προκειμένου να αναζητήσει βαρυτικά κύματα από συγκρούσεις μακρινών αστέρων νετρονίων και μαύρων τρυπών, που είτε βρίσκονται υπερβολικά μακριά είτε δεν είναι αρκετά βίαιες για να τις ανιχνεύσει το LIGO. Θεωρητικά, το LISA θα μπορεί να ανιχνεύει και εκρήξεις κυμάτων από τη σύγκρουση υπέρπυκνων μαύρων τρυπών σε μακρινούς γαλαξίες, που έχουν πυκνότητα ένα εκατομμύριο φορές μεγαλύτερη από αυτήν του Ήλιου. Για να ανιχνευτούν όμως κοσμικά βαρυτικά κύματα θα χρειαζόταν ένα όργανο πάνω από χίλιες φορές πιο ευαίσθητο από το LISA.
Πηγές: Αέναο Σύμπαν (Niel Turok), wikipedia, Mαύρες Tρύπες (Kip Thorne), NASA
Leave a Comment